基于ANSYS 的QTZ80 塔机有限元分析

（唐山工业职业技术学院，河北 唐山 063299）

传统的塔机设计方法是以力学计算为基础，满足塔机“三性”（强度性、钢度性、稳定性）使用要求的同时，塔机的安全性和安拆的方便性也要充分考虑，但传统计算考虑因素多带来的计算量大，故往往简化模型，选取较大的安全系数，造成浪费。电子计算机技术及有限元技术可使庞大的计算量及复杂的计算模型均能有效解决，为塔机设计带来了新思路与方法。对于塔式起重机设计的新要求越加严格，不仅要满足“三性”使用要求及安全性、安拆方便性的要求，也要考虑塔机工作状态的性能特征及驾驶室位置的振动特性等参数，以保证其在使用过程中的舒适性及安全性[1-3]。

1 ANSYS 整机建模

QTZ80 塔机机身采用螺栓联接，塔机的起重臂、平衡臂采用梢轴联接。本文以QTZ80 塔机为建模基础，进行ANSYS 建模。先通过图纸读取ANSYS 建模所需的塔机塔身钢结构建模参数，再通过塔机在自身重量下的变形量及应力值验证模型的正确性，然后求出塔机的各方面参数。用这种方法完成整机模型，在ANSYS 中添加载荷[4]，进行静力学仿真，求解关键节点应力应变值，然后将对应载荷下的应力仿真值与实验过程中应变片检测应力值相比较，取不同载荷情况一一对比，若结果相差不大，且变化趋势一致，则代表在ANSYS 中的建模是正确的。则可用ANSYS 对塔机不同工况下不同位置处的点的振动情况进行仿真测量，以便实现对不同位置震动情况的预测[5-6]。

1.1 塔式起重机各部分构件截面几何参数

本研究模型各机构所用钢材结构尺寸如表1 所示。

1.2 ANSYS 中塔机标准节建模

QTZ80 塔身是由6 节基础节、12 节标准节组成。基础节与标准节之间除了主肢型材截面形状不一样，其余参数均相同，所以在建塔身时只要建好一节，其他17 节只要复制就可以了。建成的标准节模型如图1 所示。

建立一个标准节模型后，根据标准节高度将已建立的标准节模型以标准节高度为单位在竖直方向阵列，完成塔机塔身的建模，最终生成的塔身如图2 所示，需要注意的是为了便于展示，图2 的模型以倾斜状态给出，但其方向为竖直方向。

表1 塔式起重机各部分构件截面几何参数

图1 标准节模型

图2 塔身模型

1.3 ANSYS 中上下回转台及回转塔身建模

因本次仿真研究目的在于整机仿真，塔机回转台实际模型较为复杂，但塔机回转台在整机仿真下并不影响其他部位的受力及变形。故在本次整机建模过程中将回转台进行了较大的简化，对塔机回转台的简化在回转台局部受力影响较大，但对整体受力影响不大，模型如图3所示。

图3 上下回转台及回转塔身建模

1.4 ANSYS 中塔冒的建模

塔机的塔冒虽然结构相对塔身小得多，但受力是最为复杂的结构之一，塔冒往往通过活动铰链与塔身上回转台链接，小型塔机为简化结构往往直接与上回转台通过焊接固连，塔冒通过圆形拉杆分别与塔机起重臂及平衡臂相连，塔冒在工作过程中不仅仅起到平衡起重臂与平衡臂的作用，在塔机回转过程中受到拉杆的侧向拉力使得塔冒受力情况极其复杂，故建模过程中应详细考虑塔冒工况，尽可能使模型贴近工作实际，塔冒建模原则如下：

1)模型能够相对准确反应塔冒受力情况，且与塔冒实际强度特性一致，能够真实反应塔冒工作过程中各种变形及应力传递。

2)塔顶结构的结构模型与实际结构在原则上应保持一致，尽可能不简化模型，力争与实际结构相一致。

3)塔顶金属结构受力能够反映真实情况，把各种类型的载荷加在相应单元的节点上。

依据以上原则，对塔机的塔冒在ANSYS 中进行模型建立，其模型如图4 所示。

图4 塔冒的模型

1.5 ANSYS 中起重臂的建模

在建模过程中节点的设置位置一般原则为：杆件结合处设置节点，以便更好地观察杆件结合处的应力应变情况，对受力较为复杂的下弦杆等部件设置较为密集的节点，以便计算更加精确，起重臂与塔身回转结构的结合处受到拉力、扭矩的作用，变形较为复杂，各节点距离应适当减小，以便得到更准确仿真结果。按此原则方法，建立起重臂模型，如图5 所示。

图5 起重臂模型

1.6 ANSYS 中平衡臂建模

平衡臂是塔机工作过程中平衡起重物体的主要部件，但起重臂受力方式相对简单，载荷类型及作用方式较起重臂单一，其结构多为矩形框架结构，末端悬挂有配重，其模型如图6 所示。

图6 平衡臂模型

1.7 ANSYS 中各部分装配过程

单击preprocessor→Coupling/Ceqn→Couple DOFs→如图示，选择需要couple 的两个点→单击ok→如图示，标上couple 序号（一定要排好序号），选择约束方向→couple 完成。用couple 命令将已经完成建模的塔身、塔帽、平衡臂、起重臂装配为整体塔机，添加拉杆，完成塔机整机模型的建模，如图7 所示。

图7 塔机在ANSYS 模型

2 ANSYS 模型仿真应力与实际应力比较

为验证整机组装之后模型的准确性，在QTZ80 塔机实际工作中的不同工况下利用应变片采集各种工况下的不同数据，而后在整机有限元模型中添加相同的工作载荷，观察应变片相应位置的节点位移量及应力、应变，与实际应力应变对比，验证模型准确性。本文选取一个工况的21 个检测点予以展示，其结果如图8 所示。

图8 ANSYS 模型仿真应力与实际应力比较

3 结束语

由仿真结果及实际工况下的结果对比可知，模型与实际测量结果较为一致，数值误差在可接受范围内，且应力变化趋势一致，可以认为该有限元模型能够很好地表达真实塔机，利用该有限元模型可以快捷方便实现各种工况下、各个节点位置的应力值、应变量的求解，简化了实验难度。